(57)【要約】【課題】本発明は、ベローズ自体及び異種材料同士の接合部にかかる応力を軽減することのできる積層板型熱交換器を提供する。【解決手段】積層板型熱交換器１は、積層体９とヘッダ４と管台４ａと外殻容器５と高温ノズル６と低温ノズル７とベローズ８とを備える。積層体９は、伝熱板２と断熱板３とを交互に重ね、積層方向に高温流路１０と低温流路１１とが形成される。ヘッダ４は、断熱性部材で作られて積層方向に積層体９の両端に取付けられる。外殻容器５は、積層体９及びヘッダ４を収容する。管台４ａは、ヘッダ４から外殻容器５を貫通して延びる。高温ノズル６は、管台４ａに外挿した状態でこの間第４ａと気密に固定する。低温ノズル７は、外殻容器５に設けられる。ベローズ８は、外殻容器５と高温ノズル６との間に設ける。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板厚方向に貫通する孔が多数設けられた伝熱板と、高温流体及び低温流体がそれぞれ通過する開口部を有した断熱板とが交互に重ねられ、積層方向に高温流路と低温流路とが形成された積層体と、
断熱性部材で作られて前記積層方向に前記積層体の両端に取付けられるヘッダと、
前記積層体及び前記ヘッダを収容する外殻容器と、
前記ヘッダから前記外殻容器を横切って延びる管台と、
前記外殻容器を横切って前記管台に外挿された状態でこの管台と気密固定される高温ノズルと、
前記外殻容器に設けられる低温ノズルと、
前記外殻容器と前記高温ノズルとの間に設けられるベローズと
を備えることを特徴とする積層板型熱交換器。
【請求項２】
前記高温ノズルは、前記管台の途中まで外挿されることを特徴とする請求項１に記載の積層板型熱交換器。
【請求項３】
前記管台は、前記高温ノズルの内周面に沿って前記高温ノズルの先端まで設けられることを特徴とする請求項１に記載の積層板型熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、ヘリウム液化冷凍装置などの極低温機器に用いられる積層板型熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヘリウム液化冷凍装置などの極低温機器に用いられる熱交換器として、伝熱板と断熱板とを交互に積層した積層板型熱交換器がある。伝熱板は、銅合金やアルミニウム合金などの熱伝導の高い材料で作られており、板厚方向に多数の孔が設けられている。断熱板は、プラスチックやＧＦＲＰ（Ｇｌａｓｓ  Ｆｉｂｒｅ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  ｐｌａｓｔｉｃｓ）などの熱伝導率の低い材料で作られており、高温流体及び低温流体を流す流路を形成する開口部が板厚方向にそれぞれ設けられている。高温流体及び低温流体は、伝熱板と断熱板とが積層される方向に互いに対向してそれぞれの流路を流れる。その結果、高温流体が各伝熱板の孔を通り抜ける際に熱が伝熱板を介して低温流体に伝達される（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
積層された伝熱板と断熱板の両端には、ヘッダがそれぞれ取付けられ、各流路に対して高温流体（高温ガス）及び低温流体（低温ガス）の分配及び統合を行なう。積層された伝熱板と断熱板、及びヘッダは、円筒状の外殻容器（容器筒部）に収められる。高温ガスと低温ガスとを送通するノズルは、それぞれ容器筒部の両端から突出している。
【０００４】
高温ガスは、容器筒部設けられた高温ガス配管から供給され、ヘッダに設けられた高温ガス流通口から高温ガス流路に分配される。低温ガスは、容器筒部を貫通してヘッダに接続された低温ガス配管から供給され、ヘッダで分配されて各低温ガス流路に流れる。容器筒部に入った低温ガス配管の途中には、積層体と外殻容器との熱膨張差によって生じる熱応力を吸収するために、ベローズが取付けられている。
【０００５】
【特許文献１】
実開平５−５２５６９号公報（第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の積層板型熱交換器は、高温ガスと低温ガスを隔絶するようにベローズが設けられている。積層板型熱交換器は、ヘリウム液化冷凍装置などの熱交換器として極低温で使用される場合、高温ガスは、低温ガスに比べて温度のみならず圧力も高い。したがって、ベローズには、温度差と圧力差による応力が加わることになる。
【０００７】
また、積層板型熱交換器には、伝熱板と断熱板との間に熱収縮差（線膨張係数の差）による熱応力が発生する。特に、使用される温度環境に冷却される過程においては、熱伝導率の差からより大きな応力が異種材料同士の接合面に生じやすい。接着面に応力が集中すると接着面が剥離し、できた隙間から高温流体や低温流体が漏れ出る可能性がある。
【０００８】
積層板型熱交換器は、極低温に保冷するため、真空チャンバ内に設けられ、真空断熱される。そのため、高温流体や低温流体が真空チャンバ内に漏れ出ると、真空チャンバ内の真空度が低下し、保冷効果が得られなくなる。その結果、積層板型熱交換器は、能力が低下を招く。
【０００９】
ヘッダと積層体との接着部の剥離を防止するため、ヘッダは、断熱板と同一材料にする場合がある。しかし、周辺機器との接続の都合から、ノズルは、金属継手を利用することが多い。このため、ヘッダとノズルとは、異種材料同士で溶着接合されることになる。積層板型熱交換器を冷却する過程で金属製のノズルは、急激に冷えるのに対し、ヘッダは、熱伝導が悪いため冷えるまでに時間がかかる。したがって、ヘッダとノズルとの接着面に熱応力が加わり、剥離が発生する場合がある。
【００１０】
そこで、本発明は、冷却時に生じやすい異種材料同士の接着面の剥離を防止する積層板型熱交換器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る積層板型熱交換器は、積層体とヘッダと外殻容器と管台と高温ノズルと低温ノズルとベローズとを備える。積層体は、板厚方向に貫通する孔が多数設けられた伝熱板と、高温流体及び低温流体がそれぞれ通過する開口部を有した断熱板とが交互に重ねられ、積層方向に高温流路と低温流路とが形成される。ヘッダは、断熱性部材で作られて積層方向に積層体の両端に取付けられる。外殻容器は、積層体及びヘッダを収容する。管台は、ヘッダから外殻容器を横切って延びる。高温ノズルは、外殻容器を横切って管台に外挿された状態でこの管台に気密固定する。低温ノズルは、外殻容器に設ける。ベローズは、外殻容器と高温ノズルとの間に設ける。
【００１２】
また、管台基部にかかる応力を小さくするために、高温ノズルは、管台の途中まで外挿する。さらに、管台と高温ノズルとの接着部が剥離することを防止するために、管台は、高温ノズルの内周面に沿って高温ノズルの先端まで設ける。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る一実施形態の積層板型熱交換器１について、図１及び図２を参照して説明する。図１に示す積層板型熱交換器１は、伝熱板２と断熱板３とヘッダ４と管台４ａと外殻容器５と高温ノズル６と低温ノズル７とベローズ８とを備える。本実施形態では、伝熱板２と断熱板３との積層方向を鉛直方向に向けて設置する縦置きの積層板型熱交換器１を示す。
【００１４】
伝熱板２は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、及び銅合金などの熱伝導率の高い材料で作られており、板厚方向に貫通する孔２ａが全体にわたって一様に多数設けられている。断熱板３は、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）などの熱伝導率の低い、つまり断熱性の高い材料で作られており、高温流体と低温流体とが板厚方向に通過する高温流路１０と低温流路１１とになる開口部３ａ，３ｂがそれぞれ設けられている。
【００１５】
伝熱板２と断熱板３とは、多数交互に重合わせた状態で接着されて積層体９を形成する。断熱板３は、開口部３ａ，３ｂが伝熱板２と断熱板３との積層方向にそれぞれ揃うように重ねられる。これにより、高温流体と低温流体を積層方向に流す高温流路１０と低温流路１１とが積層体９に形成される。高温流路１０と低温流路１１とは、互いに隣り合うように配置される。
【００１６】
本実施形態では、高温流路１０は、中心部から放射状に複数に分岐した風車形の流路断面に形成され、低温流路１１は、各分岐の間に配置されて扇形に形成されている。したがって、高温流路１０と低温流路１１とが周方向に交互に並ぶように配置されている。
【００１７】
なお、積層体９の断面は、丸以外に四角でも良い。また、高温流路１０と低温流路１１とは、図１に示す配置以外に、高温流路１０から低温流路１１に熱を効率良く伝えられるように配置されれば良いので、角形の高温流路１０及び低温流路１１が交互に並べられても良いし、同心円上に並べられても良い。
【００１８】
ヘッダ４は、断熱板３と同様に断熱性の高い材料で作られており、積層方向に積層体９の両側に取付けられている。ヘッダ４の中央部には、積層方向に延びる管台４ａが設けられている。管台４ａは、分配部４ｂに通じている。分配部４ｂは、高温流路１０の各分岐に連通している。ヘッダ４の低温流路１１に対応する部分は、積層方向に貫通する開口部４ｃが設けられている。
【００１９】
外殻容器５は、ヘッダ４が取付けられた積層体９を収容している。外殻容器５は、隙間を有した状態で積層体９の外周を覆う胴部５ａと、積層方向（鉛直方向）に外殻容器５の両端を塞ぐ鏡板５ｂ，５ｃを備えている。鏡板５ｂ，５ｃの中央部には、ヘッダ４から延びる管台４ａが通される管台取出部５ｄが設けられている。また、下側に位置する鏡板５ｃの内側には、ヘッダ４及び積層体９を組み合わせた内部品を支持するための座部５ｅが設けられている。下側になるヘッダ４は、シール性を考慮して接着剤や樹脂などで座部５ｅに固定される。これにより、積層体９と外殻容器５との隙間を通って低温ノズル７同士を連通させる流れが遮断される。
【００２０】
高温ノズル６は、管台４ａに外挿した状態で接着固定される。高温ノズル６は、外殻容器５を貫通して設けられている。外殻容器５から露出する高温ノズル６の先端には、フランジ６ａが設けられている。高温ノズル６は、管台４ａの途中まで外挿させる。管台４ａは、高温ノズル６の内周面に沿って高温ノズル６の先端まで設けられている。低温ノズル７は、鏡板５ｂ，５ｃの中央部から外れた位置に設けられている。低温ノズル７は、開口部４ｃを通して低温流路１１と連通している。
【００２１】
ベローズ８は、外殻容器５と高温ノズル６との間に設けられている。ベローズ８の一端は、鏡板５ｂ，５ｃに設けられた管台取出部５ｄにシール接合され、他端は、高温ノズル６の途中に取付けられた塞ぎ板６ｂとシール接合される。外殻容器５、高温ノズル６、塞ぎ板６ｂ、ベローズ８は、それぞれ金属製、具体的にはステンレス鋼で造られており、シール性を有するように互いに溶接接合されている。ベローズ８は、積層板型熱交換器１が冷却されることによって金属性の外殻容器５と伝熱板２及び断熱板３が積層された積層体９との間に生じる熱収縮量の差を吸収する。
【００２２】
以上のように構成された積層板型熱交換器１は、ヘリウム液化冷凍装置などの極低温機器の熱交換器として、他の機器とともに真空槽に収容される。高温流体は、図２中の矢印Ａで示すように、高温ノズル６の一方から流入して積層体９中の高温流路１０を通過した後、他方側の高温ノズル６から流出する。低温流体は、図２中の矢印Ｂで示すように、高温流体が流出する側に設けられた低温ノズル７から流入し、積層体９中の低温流路１１を高温流体と対向する向きに通過した後、高温流体が流入する側に設けられた低温ノズル７から流出する。なお、高温流体と低温流体が流れる方向は、本実施形態と逆向きでも良い。
【００２３】
真空槽の内部、つまり積層板型熱交換器１の外部は、約１０−３Ｐａ程度まで真空引きされる。高温流体は、低温流体に比べて充分に高圧である。具体的には、高温流体は、約１．９ＭＰａ位であり、低温流体は、約５ＫＰａ位である。ベローズ８は、外殻容器５と高温ノズル６の外側との間に設けられている。したがって、ベローズ８の外側は、真空槽によって真空引きされた状態であり、ベローズ８の内側は、低温流体が充満された状態である。
【００２４】
つまり、本実施形態の積層板型熱交換器１は、低温流体と真空槽との間にベローズ８が設けられており、ベローズ８が圧力の高い高温流体の圧力バウンダリーとして構成されていないので、ベローズ８にかかる応力負荷が小さい。したがって、ベローズ８における気密信頼性が向上する。
【００２５】
また、ヘッダ４に管台４ａが設けられ、高温ノズル６は、この管台４ａに外挿されている。つまり、金属製の高温ノズル６の内周面が断熱性の高い材料の管台４ａによってライニングされた状態になっている。積層板型熱交換器１の使用開始時に、管台４ａ内に冷媒を流して室温の状態から極低温まで冷却すると、熱伝導率の高い金属製の部品は、熱伝導率の低い断熱性部材で作られた部品を介して冷却されるため、先に冷却されて収縮することを防止することができる。また、冷却完了時には、高温ノズル６は、管台４ａを締め付けるように収縮するので、高温ノズル６の接着部が剥離することを防止することができる。
【００２６】
そして、高温ノズル６を管台４ａの途中まで外挿する構造、すなわち、管台４ａの基部まで外挿しないようにすることで、冷却時に高温ノズル６が収縮することで、管台４ａの基部に加わる応力を軽減することができる。
【００２７】
さらに、管台４ａが、高温ノズル６の内面に沿って先端まで設けられているので、高温流体が流され始めた場合にも、高温ノズル６に熱が伝わるのを管台４ａによって遅らせ、高温ノズル６が先に温められて膨張することを防止することができる。つまり、管台４ａと高温ノズル６との接着面が剥離することを防止することができる。
【００２８】
また、積層板型熱交換器１は、外殻容器５、高温ノズル６、低温ノズル７、ベローズ８、塞ぎ板６ｂの互いの接合部が全て金属製部材同士の溶接接合となるので、真空槽の内部に対する気密信頼性が高い。
【００２９】
【発明の効果】
本発明に係る積層板型熱交換器によれば、高温ノズルを管台に外挿するように取付けるので、冷却時に高温ノズルが先に冷却されても、高温ノズルは、管台を締め付けるように収縮する。したがって、異種材料同士の接着面となる高温ノズルと管台との接着面の剥離を防止することができる。
【００３０】
また、管台が高温ノズルに沿って高温ノズルの先端まで設けられている。したがって、冷却時に管台内に冷媒が流され始めた場合に、管台を介して高温ノズルが冷却されるので、高温ノズルのみ急激に冷えることを防ぐことができる。また、冷却後に高温流体が流され始めた場合にも、管台が高温ノズルに伝わる熱を遮るので、高温ノズルが温められて膨張する速度を遅らせることができる。つまり、高温ノズルと管台との異種材料同士の接着面が剥離することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の積層板型熱交換器を示す分解斜視図。
【図２】図１の積層板型熱交換器を示す断面図。
【符号の説明】
１…積層板型熱交換器、２…伝熱板、２ａ…孔、３…断熱板、３ａ，３ｂ…開口部、４…ヘッダ、４ａ…管台、５…外殻容器、６…高温ノズル、７…低温ノズル、８…ベローズ、９…積層体、１０…高温流路、１１…低温流路。
【図１】
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【図２】
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